高密度电法在既有隧道位置探测中的应用

2022-04-01黄春

工程建设与设计 2022年4期

黄春

（南京市测绘勘察研究院股份有限公司，南京 210000）

1 引言

高密度电法具有采集密度大、分辨率高、信息量丰富、探测结果准确可靠、受地形影响较小、实用性较强等优点，被广泛应用于地下障碍物勘察、水文及工程地质勘察、地质灾害勘察等领域。本文将高密度电法应用在既有隧道位置的探测中，主要勘探查明了既有未知隧道的位置分布，给出了高密度电法剖面处对应的隧道中心位置坐标，与实际位置有较高的吻合度，也可为其他工程的勘探提供可靠的资料借鉴与参考。

2 高密度电法测试原理

高密度电阻率法（简称“高密度电法”）是近年来发展起来的一种新型阵列勘探方法，也被称为自动电阻率技术系统。它是基于静电场理论，以探测目标体的电阻率差异为前提进行的，是直流电勘探技术方法的进一步发展，其功能相当于测探与电剖面法的结合。通过布置多个电极等技术组件向地下空间提供电能，形成人工电场，进而实现多电极距在观测剖面的多个测点上的视电阻率观测，从而推断解释地下空间的地质结构分布[1]。该方法可一次性布置多个测点，采集数据信息量大，可以进行成像计算，成图直观性强，对局部异常体具有很强的探查能力。

现场测试时，一次可布置数十到上百根电极，然后用智能电缆将电极相连后接到高密度采集仪。高密度电测仪根据设置的电测装置形式和其他参数自动完成数据采集，现场探测布置如图1 所示。采集的数据根据电场的分布特点形成视电阻率剖面，然后将现场采集的数据进行突变点剔除、地形校正和反演成像计算等处理，最后形成解释数据剖面[2]。本文在高密度电法测量中，主要选用了工程勘察常用的温纳装置（α 装置）和施伦贝谢尔装置（α2 装置），这两种装置都属于高密度电法常用装置中的四极装置[3]，装置示意图如图2 所示，其装置系数K 的通用计算公式为：

图1 高密度电法现场工作布置图

图2 电阻率剖面法常用装置

式中，量的下角A、M、N、B 为4 个电极代号，A、B 为发射电极，M、N 为接收电极；SAM、SAN、SBM、SBN分别为对应电极之间的电极距。

在高密度电法测试中，a 是最小电极距，n 是隔离系数。温纳装置（α 装置）进行数据测量时，其中的电极距SAM=SMN=SNB=na（n 为隔离系数，n=1，2，3，…最大剖面层数），首先使隔离系数n=1，电极A、M、N、B 沿测线方向逐个点移动，这样就得到地下某一深度的数据剖面；然后逐步增大隔离系数n，电极A、M、N、B 再重复前一步，直到测量结束，最后得到倒梯形的数据剖面。在施伦贝谢尔装置（α2 装置）中，使电极距SMN=a，电极距SAM=SNB=na。在测量过程中，保持电极M、N 固定不动，电极A、B 按照隔离系数n 从小到大的顺序移动，将电极M、N 向前移动一个点距，重复操作测量。在确定装置类型后，依据技术规程，选择合适的电极距S，在一定范围内，其供电电极距SAB越大，勘探深度越大；测量电极距SMN越小，探测分辨率越高[4，5]。

3 高密度电法在既有隧道探测中的应用

3.1 探测区地质条件

本文以南京南站段宁芜货线隧道为研究对象，针对高密度电法在既有隧道中的探测工作展开具体分析。本研究对象的工作场地位于南京市雨花台区，场地西侧为明城大道，东侧为双龙大道，北侧为绕城路，南侧为玉盘东街。隧道走向的工作区域内主要为空地，杂草丛生，伴有灌木与生活杂物，地表地形稍有起伏。工作区域内分布有3 处水塘、部分建筑物以及草地，给测线布置带来了一定的影响。

利用隧道结构出露部分的实测坐标（A：X=339 239.148，Y=331 431.010 和B：X=339 228.042，Y=331 433.940），结合高密度电法的物探手段和南京南站段宁芜货线隧道的位置分布，可以给出高密度电法剖面处对应的隧道中心点位置坐标，为高密度电法在既有隧道中的探测提供实际工程依据。

3.2 测线布置

高密度电法测线布置如图3 所示，在隧道走向上尽量垂直或大角度布置了3 条高密度电法测线，编号为C1C1′、C2C2′、C3C3′，高密度电阻率测试采用仪器为WDJD-4 型多功能数字直流电法（激电）仪和60 道转换器。本次工作单条剖面选用60 道电极，高电压供电。C1C1′测线电极间距S1为1.5 m，采用温纳和施伦贝谢尔装置形式；C2C2′测线电极间距S2为3.0 m，采用温纳和施伦贝谢尔装置；C3C3′测线电极间距S3为2.5 m，采用温纳装置。测量时，为了保证勘探区异常的连续、完整和便于追踪，依据工作区域的工作条件、隧道目标物的规模和装置形式等因素，实际测网密度，测线长度、电极间距、测点数量见表1。

表1 测网密度表

图3 高密度电法测线布置

3.3 测试成果

图4～图6 为温纳测线装置反演后的电阻率剖面图，分别对应C1C1′、C2C2′、C3C3′测线。

C1C1′测线自南向北布设，大角度布设在水塘西侧，北侧地形稍有起伏，测线全长88.5 m，共布设60 根电极。通过温纳装置形式的反演云图（见图4）可以看出，有1 处明显的异常区，且反演云图反映两侧均有较低的电阻率差异值。

图4 C1C1′测线温纳装置反演云图结果

C2C2′、C3C3′测线自南向北布设，布设在东侧位置，在两处水塘之间，地形较为平坦，C2C2′测线全长177.0 m，C3C3′测线全长147.5 m，C1C1′与C2C2′测线布设位置较为接近，C1C1′、C2C2′测线各布设60 根电极。通过温纳装置形式的反演云图（见图5 和图6）可以看出，同样都有1 处明显的异常区，且与周围的反演云图有明显的电阻率差异，但C3C3′测线处的异常区明显较宽于C2C2′测线。

图5 C2C2′测线温纳装置反演云图结果

图6 C3C3′测线温纳装置反演云图结果

图7 是温纳测试装置形式下的高密度电法断面立体示意图，在图上可以形象地看出3 个主要异常区。通过甄别异常区的高电阻率，可以为既有隧道的走势提供依据。

3.4 结果分析

1）C1C1′测线布置处根据反演结果看，在测线里程33～45 m、高程约1.400～9.000 m（85 国家高程基准）处存在高阻异常区，视电阻率较高，经分析可知，此异常区是由隧道目标体的钢筋混凝土结构与周围介质存在明显的电阻率差异导致的，且此处表层填土层干燥；其余部位视电阻率值较低，均为自然沉积土层。由此推断出，此处的异常区为隧道所在的位置。

2）根据C2C2′、C3C3′测线布置处的反演结果看，由于C2C2′、C3C3′测线布设较为临近，都在测线里程84～99 m 处存在高阻异常区，视电阻率较高，表层填土层干燥，其余部位均为自然沉积土层，视电阻率值较低。由此推断，此处为隧道埋藏位置。

3）通过温纳测试装置的反演云图结果分析既有隧道的位置分布，在图7 上标注了既有隧道的大致走向路线，利用已勘探的实测A、B 坐标和高密度电法物探手段的探测深度，给出了3 条高密度电法测线对应的隧道中心位置坐标（见表2）。